Impressora 3D Texas A&M.

Um remédio promissor para uma falha importante na impressão 3D

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A impressão 3D de extrusão de material (ME) é a técnica que revolucionou a impressão 3D de peças termoplásticas. No entanto, esse processo é um tanto defeituoso – as peças impressas com plástico, talvez o material de impressão 3D mais popular, são mecanicamente fracas devido à ligação imperfeita entre as camadas impressas individuais que compõem a peça 3D. Isso leva a uma fraca resistência à tração na direção da construção.

Embora muitos métodos tenham sido propostos para solucionar essa falha, muitos ficam aquém de uma solução pronta para produção. Em um novo estudo publicado na revista Nano Letters em 27 de fevereiro, os pesquisadores da Texas A&M, em colaboração com cientistas da empresa Essentium, Inc., relatam que eles “desenvolveram a tecnologia necessária” para superar essa falha.

Ligação inadequada

Na técnica de impressão ME 3D, conhecida tecnicamente como modelagem de deposição por fusão, o plástico fundido é espremido para fora de um bico que imprime peças camada por camada. À medida que as camadas impressas esfriam, elas se fundem para criar a peça 3D final.

No entanto, estudos anteriores mostraram que essas camadas se ligam inadequadamente; as peças finais impressas quando o método ME é usado são notavelmente mais fracas que as peças idênticas fabricadas por moldagem por injeção, onde o plástico derretido assume a forma de um molde pré-ajustado quando esfria.

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“Encontrar uma maneira de remediar a ligação inadequada entre as camadas impressas tem sido uma busca contínua no campo da impressão 3D”, disse Micah Green, professor associado do Departamento de Engenharia Química Artie McFerrin. “Desenvolvemos agora uma tecnologia sofisticada que pode reforçar a soldagem entre essas camadas enquanto imprime a peça 3D”.

Para unir as várias interfaces de uma peça 3D impressa através da técnica ME, é necessário um aquecimento adicional, mas o aquecimento de peças impressas usando uma solução semelhante a forno tem uma grande desvantagem. “Se você colocar algo no forno, ele aquecerá tudo, para que uma peça impressa em 3D possa entortar e derreter, perdendo sua forma,“Disse Green. “O que realmente precisamos era uma maneira de aquecer apenas as interfaces entre as camadas impressas e não a parte inteira”.

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Impressora 3D Texas A&M.

Os pesquisadores da Texas A&M e Essentium afirmam ter desenvolvido um método mais eficaz de soldar camadas adjacentes impressas, aumentando a qualidade das peças. Imagem creditada ao Essentium

Usando nanotubos de carbono para promover a ligação entre camadas

A solução da equipe? Integrar a ciência de plasma e a tecnologia de nanotubos de carbono na impressão 3D padrão para soldar camadas adjacentes de maneira mais eficaz, aumentando a confiabilidade geral da peça final.

Como as partículas de carbono esquentam em resposta às correntes elétricas, os pesquisadores cobriram a superfície de cada camada impressa. Semelhante à maneira como um microondas aquece os alimentos, a equipe descobriu que os revestimentos de nanotubos de carbono podem ser aquecidos usando correntes elétricas, permitindo que as camadas impressas se unam.

Para aplicar eletricidade à medida que a peça está sendo impressa, a corrente elétrica deve superar um pequeno espaço de ar entre o cabeçote de impressão e a peça 3D. Uma opção é usar eletrodos de metal que tocam diretamente a parte plástica, no entanto, isso pode causar danos a ela.

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Em vez disso, a equipe colaborou com o professor associado David Staack para gerar um feixe de partículas de ar carregadas, ou plasma, que poderiam carregar uma carga elétrica na superfície da peça impressa. Essa técnica permite que as correntes passem pela peça impressa, aquecendo os nanotubos e soldando as camadas.

Combinando a resistência das peças moldadas

A equipe do Texas A&M e os pesquisadores da Essentium adicionaram esses dois componentes – a tecnologia de plasma e o material revestido com nanotubos de carbono – a uma impressora 3D convencional. Quando os pesquisadores testaram a resistência das peças impressas em 3D, descobriram que era comparável à resistência das peças moldadas por injeção.

“O Santo Graal da impressão 3D é obter a força da peça impressa em 3D para corresponder à de uma peça moldada” Green disse. “Neste estudo, usamos com sucesso o aquecimento localizado para fortalecer as peças impressas em 3D, para que suas propriedades mecânicas agora rivalizem com as das peças moldadas”.

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